EP2038030B1 - Procede pour separer un element chimique de l'uranium(vi) a partir d'une phase aqueuse nitrique, dans un cycle d'extraction de l'uranium - Google Patents

Procede pour separer un element chimique de l'uranium(vi) a partir d'une phase aqueuse nitrique, dans un cycle d'extraction de l'uranium Download PDF

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EP2038030B1
EP2038030B1 EP20070765763 EP07765763A EP2038030B1 EP 2038030 B1 EP2038030 B1 EP 2038030B1 EP 20070765763 EP20070765763 EP 20070765763 EP 07765763 A EP07765763 A EP 07765763A EP 2038030 B1 EP2038030 B1 EP 2038030B1
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EP
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uranium
extractor
chemical element
organic phase
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Jean-Paul Moulin
Gilbert Andreoletti
Patrick Bourdet
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Orano Demantelement SAS
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Definitions

  • the present invention relates to a method for very efficiently separating a chemical element from uranium (VI) from a nitric aqueous phase, in a uranium extraction cycle, and this, when this chemical element is present in this aqueous phase at a concentration lower than that of uranium (VI), or even at trace levels, and that it is, moreover, less extractable by the extractant used in this extraction cycle than Uranium (VI) is not.
  • the chemical element can in particular be a tetravalent actinide such as neptunium or thorium 228 (which is a decay product of uranium 232), but the process according to the invention can also be applied to the separation of any other element chemical capable of being partially co-extracted with uranium from an acidic aqueous phase, in a uranium extraction cycle, such as zirconium.
  • a tetravalent actinide such as neptunium or thorium 228 (which is a decay product of uranium 232)
  • the process according to the invention can also be applied to the separation of any other element chemical capable of being partially co-extracted with uranium from an acidic aqueous phase, in a uranium extraction cycle, such as zirconium.
  • the process according to the invention can in particular be implemented in the context of a process for the reprocessing of irradiated nuclear fuels, and in particular in the purification cycle of uranium called "second uranium cycle " of the PUREX process or of any other process derived from it, with the aim of facilitating the decontamination of uranium to a pollutant such as neptunium, either for the purpose of recovering a chemical element which is present in trace amounts in the concentrated aqueous stream of uranium, resulting from the first purification cycle of uranium.
  • this process and which is likely to be valued - which is particularly the case of thorium 228 - these two objectives are, moreover, not exclusive of one another.
  • the first purification cycle aims to jointly separate the uranium and plutonium from the fission products and then to partition these two elements into two streams.
  • this first cycle begins with an operation consisting in co-extracting uranium and plutonium, the first at the oxidation state VI, the second at the oxidation degree IV, with a nitric aqueous phase that results from the dissolution a spent nuclear fuel in nitric acid and which is called, therefore, dissolution liquor.
  • This co-extraction is carried out by means of an organic phase immiscible with water, which consists of an extractant having a high affinity for uranium (VI) and plutonium (IV), in this case the tri-n-butyl phosphate (hereinafter TBP), generally at 30% by volume in an organic diluent, generally a hydrocarbon such as hydrogenated tetrapropylene (hereinafter TPH) or n-dodecane or " odourless kerosene ".
  • TBP tri-n-butyl phosphate
  • TPH hydrogenated tetrapropylene
  • odourless kerosene odourless kerosene
  • the partition operation of uranium and plutonium is then carried out. It is based on a deliberate alteration of the degree of oxidation of plutonium (IV) which is brought to the trivalent state, where it is not very extractable by the TBP, to favor its passage in an aqueous nitric solution and thus separate it from the uranium (VI) which remains in the organic phase. This reduction is carried out using a reducing agent, uranous nitrate, and an anti-nitrous agent, hydrazine, whose role is to stabilize both the uranous nitrate and the plutonium (III) by destruction of nitrous acid.
  • neptunium present in the solution liquor is co-extracted, mainly in the form of neptunium (VI), with uranium and plutonium.
  • thorium 228, which exists in aqueous solution only in the tetravalent state, is partially co-extracted with uranium and plutonium ( Germain et al., Journal of Inorganic Nuclear Chemistry, 1970, vol. 32, pp 245-253 ).
  • the neptunium (VI) is reduced by the uranous nitrate to neptunium (IV), a state in which it is extractable by TBP, although less than the degree of oxidation VI. It remains in the organic phase with uranium, just like a large part of thorium (IV).
  • the uranium (VI) is extracted from the organic phase by means of an aqueous nitric solution and the tetravalent actinides which followed it during the previous operations (neptunium (IV), plutonium (IV ) and thorium (IV), these last two elements being present in the state of traces) are dextracted with him.
  • aqueous effluent resulting from the desextraction of uranium is then subjected, after an intercycle concentration operation, to a second purification cycle called "second uranium cycle " to decontaminate the uranium with respect to neptunium.
  • second uranium cycle to decontaminate the uranium with respect to neptunium.
  • the latter is eliminated by an adjustment to the degree of oxidation V where it is inextractible by the TBP.
  • the inventors have therefore set themselves the goal of providing a process which makes it possible, in a uranium extraction cycle such as that practiced in the "second uranium cycle " of the PUREX process, to very efficiently separate a chemical element from uranium (VI) from a nitric aqueous phase when this chemical element is present in this aqueous phase at a concentration lower than that of uranium (VI), or even at trace levels, and is, in addition, less extractable by the extractant chosen to carry out this extraction cycle than is the uranium (VI).
  • the inventors have set a goal of providing a method which makes it possible to recover the chemical element in a concentrated and purified form in the case where this element is recoverable.
  • the exact position of the withdrawal in the first extractor is chosen according to the main objective that has been set.
  • a withdrawal upstream of the peak of accumulation of the chemical element in the organic phase will provide better decontamination of uranium vis-à-vis this chemical element and vice versa, and will therefore be preferred in the case where the main aim is to decontaminate the uranium with respect to a pollutant, while a withdrawal at the peak of accumulation of the chemical element in the organic phase will make it possible to obtain a maximum concentration of chemical element in the part of withdrawn aqueous phase but at the cost of a greater contamination of this element by uranium, and will therefore be preferred in the case where we seek primarily to recover this element for recovery.
  • the peak of accumulation of the chemical element in the organic phase is pronounced, or as strong as possible.
  • the flow rate D 2 of the withdrawal represents a fraction of the flow rate D 1 such that the product of the concentration of the chemical element in the aqueous phase at the time of withdrawal and the flow rate D 2 is equal to the flow of this element which enters the first extractor, so that the flows in and out of said element are balanced.
  • the process according to the invention further comprises one or more steps of concentration and purification of the chemical element present in the part of aqueous phase withdrawn.
  • step c 1 of extracting the uranium from the withdrawn aqueous phase part by means of an organic phase of the same composition as that used in step a), coupled to a step d 1 ) of washing this organic phase with a nitric aqueous phase A3.
  • step c 1 is advantageously carried out by adding the withdrawn aqueous phase part to phase A3 obtained at the end of step d 1 ) and by circulating the resulting aqueous stream in a third extractor, against the current of the organic phase.
  • step c 1 by withdrawing part of this aqueous stream during step c 1 ) while returning the remainder of this stream, at its output from the extractor, to the first extractor, it is possible to recover the chemical element in a concentrated and purified form and without generating additional effluents compared to those produced during steps a) and b).
  • this process comprises a step c 2 ) comprising subjecting the withdrawn aqueous phase portion to one or more chromatographies on a stationary solid phase to concentrate and purify the chemical element present in that phase.
  • the stationary solid phase is an ion exchange resin.
  • the extractant present in the organic phases used in the steps may be any molecule known to have a particular affinity for uranium.
  • a trialkyl phosphate and, in particular, tri-n-butyl phosphate which is the extractant of the PUREX process.
  • it is preferably used at 30% v / v in an organic diluent, preferably a linear or branched dodecane such as hydrogenated n-dodecane or tetrapropylene.
  • Phase A1 is preferably a nitric aqueous phase of high acidity, concentration of nitric acid of the order of 4 to 6 mol / L, in which case the aqueous nitric phases used for the washes (phases A2 and A3) are of low acidity, for example of concentration of nitric acid less than or equal to 2 mol / L .
  • the method according to the invention makes it possible to avoid, on stopping the cycle, a pollution of the uranium by the chemical element: Indeed, it is sufficient to continue step a) by feeding the first decontaminated uranium extractor while continuing to withdraw a portion of the aqueous phase circulating in this extractor to reduce the accumulation of the chemical element without polluting the last batch of 'uranium.
  • the chemical element is preferably a tetravalent actinide chosen from neptunium and thorium 228.
  • the invention also relates to a process for reprocessing a spent nuclear fuel, which is characterized in that it implements a separation process as previously defined.
  • the invention also relates to a uranium purification cycle of a PUREX process, which is characterized in that it comprises the implementation of a separation method as defined above, in which case the Chemical element to be separated from uranium (VI) is preferably a tetravalent actinide selected from neptunium and thorium 228.
  • FIG. 1A schematically represents an extraction cycle such as it is likely to be implemented to decontaminate the uranium (VI) present in a nitric aqueous phase, called phase A1, vis-à-vis a chemical element, called element E, less extractable than it, for example in the context of the "second uranium cycle " of a PUREX process.
  • the uranium (VI) is present at a high concentration, for example of the order of 400 g / L, while the element E, which is, for example, neptunium (IV) or thorium 228 (which is also tetravalent) is present at a much lower concentration, for example of the order of 1% or less of that of uranium, or even in trace amounts.
  • the concentration of nitric acid in the A1 phase it is, for example, 4 to 6 moles / L.
  • the organic phase is, for example, composed of tri- n -butyl phosphate in 30% v / v in a dodecane, while the A2 phase is, for example, an aqueous solution of acidity of less than 2 mol / L HNO 3 , for example of the order of 1 mol / L.
  • these extraction and washing steps are carried out in two different extractors, respectively 10 and 11, which are preferably multistage (of the mixer-settler or pulsed column type), which are connected to each other and wherein the solvent and aqueous phases are circulated countercurrently.
  • FIG. 1B represents the concentration profiles [C org ] of uranium (curve A) and element E (curve B) in the organic phase, as well as the acidity profile (curve C) of this phase, on the all of his career in extractors 10 and 11.
  • This figure shows that in the part of the extractor 10 situated upstream (in the direction of circulation of the organic phase) of the uranium extraction front which corresponds to the segment of the curve A which is between the arrows f 2 and 3 -, an accumulation of nitric acid in the organic phase which promotes the passage of the element E in the organic phase and the formation of a peak of accumulation of this element in this organic phase (and, inseparably , also in the aqueous phase).
  • the exact position of the racking is chosen according to the parameter which one wishes to privilege.
  • FIG 2 illustrates, schematically, an example of the first preferred embodiment of the process according to the invention, wherein the part of the aqueous phase withdrawn in the extractor 10 is subjected to a complementary extraction cycle to concentrate and purify the element E.
  • FIG 3 illustrates, schematically, an example of the second preferred mode of implementation of the process according to the invention, in which the portion of aqueous phase withdrawn in the extractor 10 is subjected to additional operations of chromatography on ion exchange resin for concentrate and purify the element E that it contains, and which is particularly well suited to the case where the element E is in the state of traces in phase A1.
  • the method comprises, first of all, an extraction cycle which is identical to that illustrated on the Figure 1A except that part of the aqueous phase circulating in the extractor 10 is withdrawn at the peak of accumulation of the element E in the organic phase or upstream (in the direction of circulation of the organic phase) of this peak.
  • the withdrawn aqueous phase fraction is fed into a buffer tank 14 where it is stored before being conveyed to a column 15 filled with an ion exchange resin.

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Description

    DOMAINE TECHNIQUE
  • La présente invention se rapporte à un procédé permettant de séparer très efficacement un élément chimique de l'uranium(VI) à partir d'une phase aqueuse nitrique, dans un cycle d'extraction de l'uranium et ce, lorsque cet élément chimique est présent dans cette phase aqueuse à une concentration inférieure à celle de l'uranium(VI), voire à l'état de traces, et qu'il est, de plus, moins extractible par l'extractant utilisé dans ce cycle d'extraction que ne l'est l'uranium(VI).
  • L'élément chimique peut notamment être un actinide tétravalent comme le neptunium ou le thorium 228 (qui est un produit de décroissance de l'uranium 232), mais le procédé selon l'invention peut également s'appliquer à la séparation de tout autre élément chimique susceptible d'être partiellement co-extrait avec l'uranium d'une phase aqueuse acide, dans un cycle d'extraction de l'uranium, comme le zirconium.
  • Le procédé selon l'invention peut notamment être mis en -uvre dans le cadre d'un procédé de retraitement des combustibles nucléaires irradiés, et en particulier dans le cycle de purification de l'uranium dénommé "deuxième cycle uranium" du procédé PUREX ou de tout autre procédé dérivé de celui-ci, soit dans l'objectif de faciliter la décontamination de l'uranium vis-à-vis d'un polluant comme le neptunium, soit dans l'objectif de récupérer un élément chimique qui est présent à l'état de traces dans le flux aqueux concentré en uranium, issu du premier cycle de purification de ce procédé, et qui est susceptible d'être valorisé - ce qui est notamment le cas du thorium 228 -, ces deux objectifs n'étant, d'ailleurs, pas exclusifs l'un de l'autre.
    • ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
  • Dans les usines modernes de retraitement des combustibles nucléaires usés telles que les usines UP3 et UP2-800 de la COGEMA en France, Thorp au Royaume-Uni ou Rokkasho au Japon, le retraitement des combustibles usés est basé sur le procédé PUREX et comprend plusieurs cycles de purification.
  • Le premier cycle de purification vise à séparer conjointement l'uranium et le plutonium des produits de fission puis à réaliser une partition de ces deux éléments en deux flux.
  • Ainsi, ce premier cycle commence par une opération consistant à co-extraire l'uranium et le plutonium, le premier au degré d'oxydation VI, le second au degré d'oxydation IV, d'une phase aqueuse nitrique qui résulte de la dissolution d'un combustible nucléaire usé dans de l'acide nitrique et qui est appelée, de ce fait, liqueur de dissolution.
  • Cette co-extraction est réalisée au moyen d'une phase organique non miscible à l'eau, qui est constituée d'un extractant ayant une forte affinité pour l'uranium(VI) et le plutonium(IV), en l'espèce le phosphate de tri-n-butyle (ci-après TBP), en général à 30% en volume dans un diluant organique, en général un hydrocarbure comme le tétrapropylène hydrogéné (ci-après TPH) ou le n-dodécane ou encore l'« odourless kerosene ». Elle est complétée par un lavage de la phase organique qui est réalisé au moyen d'une solution aqueuse nitrique et qui est destiné à parfaire la décontamination de l'uranium et du plutonium vis-à-vis des produits de fission.
  • L'opération de partition de l'uranium et du plutonium est pratiquée ensuite. Elle repose sur une altération volontaire du degré d'oxydation du plutonium(IV) qui est amené à l'état trivalent, où il est très peu extractible par le TBP, pour favoriser son passage dans une solution aqueuse nitrique et le séparer ainsi de l'uranium(VI) qui reste, lui, dans la phase organique. Cette réduction est réalisée à l'aide d'un agent réducteur, le nitrate uraneux, et d'un agent anti-nitreux, l'hydrazine, dont le rôle est de stabiliser à la fois le nitrate uraneux et le plutonium(III) par destruction de l'acide nitreux.
  • Le neptunium présent dans la liqueur de dissolution est co-extrait, principalement sous forme de neptunium(VI), avec l'uranium et le plutonium. De même, le thorium 228, qui n'existe en solution aqueuse qu'à l'état tétravalent, est partiellement co-extrait avec l'uranium et le plutonium (Germain et al., Journal of Inorganic Nuclear Chemistry, 1970, vol. 32, pp 245-253).
  • Lors de l'opération de partition, le neptunium(VI) est réduit par le nitrate uraneux en neptunium(IV), état dans lequel il est extractible par le TBP, quoique moins qu'au degré d'oxydation VI. Il reste donc dans la phase organique avec l'uranium, tout comme une large part du thorium(IV).
  • Après l'opération de partition, l'uranium(VI) est désextrait de la phase organique au moyen d'une solution aqueuse nitrique et les actinides tétravalents qui l'ont suivi au cours des opérations précédentes (neptunium(IV), plutonium(IV) et thorium(IV), ces deux derniers éléments étant présents à l'état de traces) sont désextraits avec lui.
  • L'effluent aqueux issu de la désextraction de l'uranium est alors soumis, après une opération de concentration intercycle, à un deuxième cycle de purification dit "deuxième cycle uranium" pour décontaminer l'uranium vis-à-vis du neptunium. Ce dernier est éliminé par un ajustage au degré d'oxydation V où il est inextractible par le TBP.
  • Cet ajustage est plus délicat à réaliser que l'opération qui consisterait à ajuster le neptunium au degré d'oxydation IV et à éliminer ce dernier grâce à une saturation de la phase organique en uranium(VI), ce qui serait possible puisque le risque de criticité aura été éliminé du fait de l'élimination de la majeure partie du plutonium à l'étape de partition. Des calculs, confirmés par des essais pilotes, montrent que cette configuration implique toutefois, dans la partie de l'extracteur située immédiatement au voisinage du front d'extraction de l'uranium, une accumulation d'acide nitrique de nature à favoriser la formation d'un pic de neptunium(IV).
  • Cette configuration rend, d'une part, le schéma extrêmement sensible même aux plus faibles variations de la saturation de la phase organique en uranium(VI) et, d'autre part, très difficile l'arrêt du cycle sans contamination de la fraction de l'uranium traitée en fin de campagne.
  • Takanashi et al., Neptunium concentration profiles in the Purex process, J. of Alloys and Compounds 271-273 (1998) 689-692 décrivent un procédé selon le préambule de la revendication 1.
  • Par ailleurs, l'élimination du thorium 228, bien que facilitée par rapport à celle du neptunium(IV) en raison de la moindre extractabilité du thorium tétravalent par le TBP, reste néanmoins limitée pour la même raison, à savoir la formation d'un pic de thorium en amont, dans le sens de circulation de la phase organique dans l'extracteur, du front d'extraction de l'uranium.
  • Les Inventeurs se sont, donc, fixé pour but de fournir un procédé qui permette, dans un cycle d'extraction de l'uranium tel que celui pratiqué dans le "deuxième cycle uranium" du procédé PUREX, de séparer très efficacement un élément chimique de l'uranium(VI) à partir d'une phase aqueuse nitrique lorsque cet élément chimique est présent dans cette phase aqueuse à une concentration moindre que celle de l'uranium(VI), voire à l'état de traces, et qu'il est, en outre, moins extractible par l'extractant choisi pour réaliser ce cycle d'extraction que ne l'est l'uranium(VI).
  • Les Inventeurs se sont, de plus, fixé pour but de fournir un procédé qui permette de récupérer l'élément chimique sous une forme concentrée et purifiée pour le cas où cet élément est valorisable.
    • EXPOSÉ SOMMAIRE DE L'INVENTION
  • Ce but, et d'autres, sont atteints par un procédé pour séparer un élément chimique de l'uranium(VI) à partir d'une phase aqueuse nitrique A1 dans un cycle d'extraction de l'uranium comprenant :
    1. a) une étape d'extraction de l'uranium(VI), dans laquelle une phase aqueuse circule, à un débit D1, dans un premier extracteur (10), à contre-courant d'une phase organique, non miscible à l'eau et contenant un extractant, et
    2. b) une étape de lavage de la phase organique obtenue à l'issue de l'étape a) par une phase aqueuse nitrique A2, dans laquelle la phase organique circule dans un deuxième extracteur (11) à contre-courant de la phase A2 ;
    dans lequel les premier et deuxième extracteurs sont reliés l'un à l'autre de sorte que la phase aqueuse qui circule dans le premier extracteur soit formée par la phase A1 et par la phase A2 obtenue à l'issue de l'étape b) ; et
    dans lequel, l'élément chimique étant présent dans la phase A1 à une concentration inférieure à celle de l'uranium(VI) et étant moins extractible par ledit extractant que ne l'est l'uranium(VI), il s'accumule dans la phase organique au cours de l'étape a) ;
    ledit procédé étant caractérisé en ce que l'étape a) comprend le soutirage d'une partie de la phase aqueuse circulant dans le premier extracteur, au pic d'accumulation de l'élément chimique dans la phase organique, ou bien en amont (dans le sens de circulation de la phase organique) de ce pic.
  • Conformément à l'invention, la position exacte du soutirage dans le premier extracteur est choisie en fonction de l'objectif principal que l'on s'est fixé.
  • Ainsi, un soutirage en amont du pic d'accumulation de l'élément chimique dans la phase organique permettra d'obtenir une meilleure décontamination de l'uranium vis-à-vis de cet élément chimique et réciproquement, et sera donc privilégié dans le cas où l'on cherchera essentiellement à décontaminer l'uranium vis-à-vis d'un polluant, tandis qu'un soutirage au pic d'accumulation de l'élément chimique dans la phase organique permettra d'obtenir une concentration maximale de l'élément chimique dans la partie de phase aqueuse soutirée mais au prix d'une plus forte contamination de cet élément par l'uranium, et sera donc privilégié dans le cas où l'on cherchera essentiellement à récupérer cet élément en vue de sa valorisation.
  • Quelle que soit la position du soutirage, on préfère que le pic d'accumulation de l'élément chimique dans la phase organique soit prononcé, voire le plus marqué possible.
  • Aussi, les conditions opératoires des étapes a) et b) sont-elles, de préférence, choisies de sorte à obtenir :
    • * d'une part, une extraction très forte de l'uranium au cours de l'étape a) et, par la même, une saturation en uranium de la phase organique avant qu'elle ne quitte le premier extracteur ; et
    • * d'autre part, un facteur d'extraction de l'élément chimique supérieur à 1 et, de préférence, largement supérieur à 1 dans la partie du premier extracteur située en amont (dans le sens de circulation de la phase organique) du front d'extraction de l'uranium, mais inférieur à 1 et, de préférence, largement inférieur à 1 dans le deuxième extracteur ainsi que dans la partie du premier extracteur la plus proche de son alimentation en phase aqueuse.
  • Ainsi, par exemple, dans le cas où l'élément chimique à séparer de l'uranium est du thorium 228 et où l'on a choisi d'utiliser du phosphate de tri-n-butyle à 30% v/v dans un diluant organique comme phase organique, ces critères seront satisfaits, comme le montrent les résultats expérimentaux rapportés par Germain et al. (ibid) en maintenant :
    • dans la partie du premier extracteur située en amont du front d'extraction de l'uranium : une concentration en acide nitrique supérieure à 2 moles/L pour un rapport de débits phase organique/ phase aqueuse de l'ordre de 3 dans le premier extracteur ;
    • dans le deuxième extracteur et dans la partie du premier extracteur la plus proche de l'alimentation de ce dernier en phase aqueuse : une concentration en acide nitrique égale ou inférieure à 2 moles/L pour un rapport de débits phase organique/phase aqueuse de l'ordre de 6 dans le deuxième extracteur.
  • Ceci s'applique également à d'autres espèces chimiques qui ont un comportement analogue à celui du thorium 228 comme, par exemple, le neptunium(IV).
  • Par ailleurs, il est souhaitable que le débit D2 du soutirage représente une fraction du débit D1 telle que le produit de la concentration de l'élément chimique dans la phase aqueuse au moment du soutirage et du débit D2 soit égal au flux de cet élément qui entre dans le premier extracteur, de sorte que les flux entrant et sortant dudit élément soient équilibrés.
  • Dans le cas où l'on souhaite récupérer l'élément chimique en vue de sa valorisation, alors le procédé selon l'invention comprend, en outre, une ou plusieurs étapes de concentration et de purification de l'élément chimique présent dans la partie de phase aqueuse soutirée.
  • Ainsi, dans un premier mode de mise en -uvre préféré du procédé selon l'invention, celui-ci comprend une étape c1) d'extraction de l'uranium de la partie de phase aqueuse soutirée, au moyen d'une phase organique de même composition que celle utilisée à l'étape a), couplée à une étape d1) de lavage de cette phase organique par une phase aqueuse nitrique A3.
  • Conformément à l'invention, l'étape c1) est, avantageusement, réalisée en additionnant la partie de phase aqueuse soutirée à la phase A3 obtenue à l'issue de l'étape d1) et en faisant circuler le flux aqueux résultant dans un troisième extracteur, à contre-courant de la phase organique.
  • Ainsi, en soutirant une partie de ce flux aqueux au cours de l'étape c1) tout en renvoyant le reste de ce flux, à sa sortie de l'extracteur, vers le premier extracteur, il est possible de récupérer l'élément chimique sous une forme concentrée et purifiée et ce, sans générer d'effluents supplémentaires par rapport à ceux produits au cours des étapes a) et b).
  • Dans un autre mode de mise en -uvre préféré du procédé selon l'invention, qui est particulièrement bien adapté au cas où l'élément chimique est présent à l'état de traces dans la phase A1, ce procédé comprend une étape c2) consistant à soumettre la partie de phase aqueuse soutirée à une ou plusieurs chromatographies sur une phase solide stationnaire pour concentrer et purifier l'élément chimique présent dans cette phase.
  • De préférence, la phase solide stationnaire est une résine échangeuse d'ions.
  • Conformément à l'invention, l'extractant présent dans les phases organiques utilisées aux étapes peut être toute molécule connue pour présenter une affinité particulière vis-à-vis de l'uranium. Ceci étant, on préfère utiliser un phosphate de trialkyle et, en particulier, le phosphate de tri-n-butyle, qui est l'extractant du procédé PUREX. Auquel cas, celui-ci est, de préférence, utilisé à 30% v/v dans un diluant organique, avantageusement un dodécane linéaire ou ramifié tel que le n-dodécane ou le tétrapropylène hydrogéné.
  • La phase A1 est, de préférence, une phase aqueuse nitrique d'acidité élevée, de concentration en acide nitrique de l'ordre de 4 à 6 mol/L, auquel cas les phases aqueuses nitriques utilisées pour les lavages (phases A2 et A3) sont de faible acidité, par exemple de concentration en acide nitrique inférieure ou égale à 2 mol/L.
  • Le procédé selon l'invention présente de nombreux avantages, à savoir :
    • * celui de permettre une décontamination très efficace de l'uranium(VI) vis-à-vis de l'élément chimique et réciproquement ;
    • * celui de permettre également une décontamination très efficace de l'élément chimique vis-à-vis des polluants inextractibles de l'uranium(VI) ;
    • * celui de permettre une concentration et une purification de l'élément chimique, si l'on souhaite récupérer cet élément.
  • En outre, appliqué dans un cycle d'extraction de l'uranium, le procédé selon l'invention permet d'éviter que ne se produise, à l'arrêt du cycle, une pollution de l'uranium par l'élément chimique : en effet, il suffit de poursuivre l'étape a) en alimentant le premier extracteur en uranium décontaminé tout en continuant à soutirer une partie de la phase aqueuse circulant dans cet extracteur pour résorber l'accumulation de l'élément chimique sans polluer le dernier lot d'uranium.
  • Conformément à l'invention, l'élément chimique est, de préférence, un actinide tétravalent choisi parmi le neptunium et le thorium 228.
  • L'invention a également pour objet un procédé de retraitement d'un combustible nucléaire usé, qui est caractérisé en ce qu'il met en -uvre un procédé de séparation tel que précédemment défini.
  • L'invention a encore pour objet un cycle de purification de l'uranium d'un procédé PUREX, qui est caractérisé en ce qu'il comprend la mise en -uvre d'un procédé de séparation tel que précédemment défini, auquel cas l'élément chimique à séparer de l'uranium(VI) est, de préférence, un actinide tétravalent choisi parmi le neptunium et le thorium 228.
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture du complément de description qui suit et qui se réfère aux figures annexées.
  • Il va de soi que ce complément de description n'est donné qu'à titre d'illustration de l'objet de l'invention et ne constitue en aucun cas une limitation de cet objet.
    • BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
  • Les figures 1A et 1B sont destinées à faciliter la compréhension de l'invention, tandis que les figures 2 et 3 se rapportent à des exemples de mise en -uvre du procédé selon l'invention. Ainsi :
    • la figure 1A correspond à un schéma de principe d'un cycle d'extraction tel qu'il est susceptible d'être mis en -uvre pour décontaminer l'uranium(VI) présent dans une phase aqueuse nitrique vis-à-vis d'un élément chimique, moins extractible que lui, par exemple dans le cadre du "deuxième cycle uranium" d'un procédé PUREX ;
    • la figure 1B représente les profils de concentration [Corg] de l'uranium(VI) (courbe A) et de l'élément chimique (courbe B) dans la phase organique, ainsi que le profil d'acidité (courbe C) de cette phase, au cours du cycle d'extraction illustré sur la figure 1A ;
    • la figure 2 illustre, de façon schématique, un exemple du premier mode de mise en -uvre préféré du procédé selon l'invention ; tandis que
    • la figure 3 illustre, de façon schématique, un exemple du deuxième mode de mise en -uvre préféré du procédé selon l'invention.
  • Sur les figures 1A, 2 et 3, les extracteurs sont symbolisés par des rectangles, les flux de phase organique sont symbolisés par un double trait et cette phase est dénommée plus simplement "solvant", tandis que les flux aqueux sont symbolisés par un simple trait.
  • Les opérations de lavage des phases aqueuses par une phase organique n'ont volontairement pas été représentées par souci de simplification des figures.
    • EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE L'INVENTION
  • On se réfère tout d'abord à la figure 1A qui représente schématiquement un cycle d'extraction tel qu'il est susceptible d'être mis en -uvre pour décontaminer l'uranium(VI) présent dans une phase aqueuse nitrique, dénommée phase A1, vis-à-vis d'un élément chimique, dénommé élément E, moins extractible que lui, par exemple dans le cadre du "deuxième cycle uranium" d'un procédé PUREX.
  • Dans cette phase A1, l'uranium(VI) est présent à une concentration élevée, par exemple de l'ordre de 400 g/L, tandis que l'élément E, qui est, par exemple, du neptunium(IV) ou du thorium 228 (qui est également tétravalent) est présent à une concentration beaucoup plus faible, par exemple de l'ordre de 1% ou moins de celle de l'uranium, voire à l'état de traces.
  • Quand à la concentration de l'acide nitrique dans la phase A1, elle est, par exemple, de 4 à 6 moles/L.
  • Dans cet exemple, le cycle d'extraction comprend :
    • * une étape d'extraction proprement dite, qui vise à extraire l'uranium(VI) de la phase A1 au moyen d'une phase organique, non miscible à l'eau et contenant un extractant capable d'extraire l'uranium et, à un moindre degré, l'élément E, et
    • * une étape de lavage de la phase organique par une phase aqueuse nitrique (dénommée ci-après phase A2), qui vise, elle, à désextraire de la phase organique la fraction d'élément E ayant été extraite avec l'uranium(VI) à l'étape précédente.
  • La phase organique est, par exemple, composée de phosphate de tri-n-butyle à 30% v/v dans un dodécane, tandis que la phase A2 est, par exemple, une solution aqueuse d'acidité inférieure à 2 moles/L de HNO3, par exemple de l'ordre de 1 mole/L.
  • Comme visible sur la figure 1A, ces étapes d'extraction et de lavage sont réalisées dans deux extracteurs différents, respectivement 10 et 11, qui sont, de préférence, multiétagés (du type mélangeurs-décanteurs ou colonnes pulsées), qui sont reliés l'un à l'autre et dans lesquels les phases solvant et aqueuses sont mises à circuler à contre-courant.
  • L'extracteur 10 est donc alimenté :
    • * à l'une de ses extrémités, par un flux de phase organique fraîche, et
    • * à l'autre de ses extrémités, par un flux aqueux formé par la phase A2 ayant servi à laver la phase organique dans l'extracteur 11 à laquelle est ajoutée la phase A1 ; tandis que l'extracteur 11 est alimenté :
      • * à l'une de ses extrémités, par la phase organique ayant servi à extraire l'uranium dans l'extracteur 10, et
      • * à l'autre de ses extrémités, par un flux de phase A2 fraîche.
  • On se réfère à présent à la figure 1B qui représente les profils de concentration [Corg] de l'uranium (courbe A) et de l'élément E (courbe B) dans la phase organique, ainsi que le profil d'acidité (courbe C) de cette phase, sur l'ensemble de son parcours dans les extracteurs 10 et 11.
  • Cette figure montre qu'il se produit, dans la partie de l'extracteur 10 située en amont (dans le sens de circulation de la phase organique) du front d'extraction de l'uranium qui correspond au segment de la courbe A qui est compris entre les flèches f2 et f3 -, une accumulation d'acide nitrique dans la phase organique qui favorise le passage de l'élément E dans la phase organique et la formation d'un pic d'accumulation de cet élément dans cette phase organique (et, de façon inséparable, aussi dans la phase aqueuse).
  • L'existence de ce pic d'accumulation de l'élément E s'oppose à une séparation efficace de l'uranium et de cet élément et, donc, à la possibilité de décontaminer de façon satisfaisante l'uranium vis-à-vis de l'élément E et, réciproquement, l'élément E vis-à-vis de l'uranium.
  • C'est la raison pour laquelle l'invention propose de soutirer une partie de la phase aqueuse circulant dans l'extracteur 10, au pic d'accumulation de l'élément E dans la phase organique ou avant que ne se produise ce pic, c'est-à-dire, dans la configuration illustrée sur la figure 1B, dans la partie du réacteur 10 située au niveau de la flèche f1 ou en amont (dans le sens de circulation de la phase organique) de cette flèche.
  • Comme précédemment indiqué, la position exacte du soutirage est choisie en fonction du paramètre que l'on souhaite privilégier.
  • Ainsi, un soutirage au pic d'accumulation de l'élément chimique dans la phase organique permettra d'obtenir une concentration maximale de l'élément chimique dans la partie de phase aqueuse soutirée mais au prix d'une relativement forte contamination de cet élément par l'uranium, tandis qu'un soutirage en amont de ce pic permet d'obtenir une meilleure décontamination de l'uranium vis-à-vis de l'uranium et réciproquement mais au prix d'une concentration moindre de l'élément E dans la partie de phase aqueuse soutirée.
  • On se réfère à présent à la figure 2 qui illustre, de façon schématique, un exemple du premier mode de mise en -uvre préféré du procédé selon l'invention, dans lequel la partie de la phase aqueuse soutirée dans l'extracteur 10 est soumise à un cycle complémentaire d'extraction pour concentrer et purifier l'élément E.
  • Le procédé selon l'invention comprend donc deux cycles d'extraction, couplés l'un à l'autre, à savoir :
    • * un premier cycle, qui est identique à celui illustré sur la figure 1A, à ceci près qu'une partie de la phase aqueuse circulant dans l'extracteur 10 est soutirée au pic d'accumulation de l'élément E dans la phase organique ou en amont (dans le sens de circulation de la phase organique) de ce pic, et
    • * un deuxième cycle, qui comprend :
      • une étape d'extraction proprement dite qui vise à extraire l'uranium(VI) présent dans la partie de phase aqueuse soutirée dans l'extracteur 10 de cette partie de phase aqueuse, au moyen d'une phase organique, laquelle est avantageusement de même composition que celle utilisée dans le premier cycle d'extraction (TBP à 30% v/v dans un diluant organique), et
      • une étape de lavage de la phase organique par une phase aqueuse nitrique (dénommée ci-après phase A3), par exemple une solution aqueuse d'acidité inférieure à 2 moles/L de HNO3, qui vise à désextraire de la phase organique la fraction d'élément E ayant été extraite avec l'uranium(VI) à l'étape précédente.
  • Comme visible sur la figure 2, les étapes d'extraction et de lavage de ce deuxième cycle sont réalisées, comme celles du premier cycle, dans deux extracteurs différents, respectivement 12 et 13, qui sont reliés l'un à l'autre et dans lesquels les phases solvant et aqueuses sont mises à circuler à contre-courant.
  • Ainsi, l'extracteur 12 est alimenté :
    • * à l'une de ses extrémités, par un flux de phase organique fraîche, et
    • * à l'autre de ses extrémités, par un flux aqueux formé par la phase A3 ayant servi à laver la phase organique dans l'extracteur 13, à laquelle est ajoutée la partie de phase aqueuse soutirée dans l'extracteur 10 ; tandis que l'extracteur 13 est alimenté :
      • * à l'une de ses extrémités, par la phase organique ayant servi à extraire l'uranium dans l'extracteur 12, et
      • * à l'autre de ses extrémités, par un flux de phase A3 fraîche.
  • En soutirant une fraction de la phase aqueuse circulant dans l'extracteur 12 tout en envoyant, d'une part, le reste de cette phase aqueuse, une fois sortie de cet extracteur, rejoindre la phase A1 avant que celle-ci ne soit ajoutée à la phase A2, et, d'autre part, la phase organique issue de l'extracteur 13 rejoindre la phase organique issue de l'extracteur 10 avant que celle-ci ne pénètre dans l'extracteur 11, il est possible de faire fonctionner le deuxième cycle d'extraction en boucle par rapport au premier et de récupérer, dans la fraction de phase aqueuse soutirée dans l'extracteur 12, l'élément E, à la fois concentré et purifié, sans générer d'effluents supplémentaires par rapport à ceux produits dans le premier cycle d'extraction.
  • On se réfère à présent à la figure 3 qui illustre, de façon schématique, un exemple du deuxième mode de mise préféré du procédé selon l'invention, dans lequel la partie de phase aqueuse soutirée dans l'extracteur 10 est soumise à des opérations complémentaires de chromatographie sur résine échangeuse d'ions pour concentrer et purifier l'élément E qu'elle contient, et qui est particulièrement bien adapté au cas où l'élément E est à l'état de traces dans la phase A1.
  • Dans cet exemple, le procédé comprend, tout d'abord, un cycle d'extraction qui est identique à celui illustré sur la figure 1A, à ceci près qu'une partie de la phase aqueuse circulant dans l'extracteur 10 est soutirée au pic d'accumulation de l'élément E dans la phase organique ou en amont (dans le sens de circulation de la phase organique) de ce pic.
  • Puis, la fraction de phase aqueuse soutirée est amenée dans une cuve tampon 14 où elle est stockée avant d'être acheminée vers une colonne 15 remplie d'une résine échangeuse d'ions.
  • L'élution, puis le lavage de la résine par des phases aqueuses nitriques permet de récupérer à la sortie de la colonne des fractions riches en élément E et des fractions riches en uranium(VI). Ces dernières sont envoyées rejoindre la phase A1 avant que celle-ci ne soit ajoutée à la phase A2.

Claims (16)

  1. Procédé pour séparer un élément chimique de l'uranium(VI) à partir d'une phase aqueuse nitrique A1, dans un cycle d'extraction de l'uranium comprenant :
    a) une étape d'extraction de l'uranium(VI), dans laquelle une phase aqueuse circule, à un débit D1, dans un premier extracteur (10), à contre-courant d'une phase organique, non miscible à l'eau et contenant un extractant, et
    b) une étape de lavage de la phase organique obtenue à l'issue de l'étape a) par une phase aqueuse nitrique A2, dans laquelle la phase organique circule dans un deuxième extracteur (11) à contre-courant de la phase A2 ;
    dans lequel les premier et deuxième extracteurs sont reliés l'un à l'autre de sorte que la phase aqueuse qui circule dans le premier extracteur soit formée par la phase A1 et par la phase A2 obtenue à l'issue de l'étape b) ; et
    dans lequel, l'élément chimique étant présent dans la phase A1 à une concentration inférieure à celle de l'uranium(VI) et étant moins extractible par ledit extractant que ne l'est l'uranium(VI), s'accumule dans la phase organique au cours de l'étape a) ;
    ledit procédé étant caractérisé en ce que l'étape a) comprend le soutirage d'une partie de la phase aqueuse circulant dans le premier extracteur, au pic d'accumulation de l'élément chimique dans la phase organique, ou bien en amont, dans le sens de circulation de la phase organique, de ce pic.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit D2 du soutirage représente une fraction du débit D1 telle que le produit de la concentration de l'élément chimique dans phase aqueuse circulant dans le premier extracteur, au moment du soutirage, et du débit D2 soit égal au flux de cet élément qui entre dans le premier extracteur.
  3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une ou plusieurs étapes de concentration et de purification de l'élément chimique présent dans la partie de phase aqueuse soutirée.
  4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend une étape c1) d'extraction de l'uranium présent dans la partie de phase aqueuse soutirée, au moyen d'une phase organique de même composition que celle utilisée à l'étape a), couplée à une étape d1) de lavage de cette phase organique par une phase aqueuse nitrique A3.
  5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'étape c1) est réalisée en additionnant la partie de phase aqueuse soutirée à la phase A3 obtenue à l'issue de l'étape d1) et en faisant circuler le flux aqueux résultant dans un troisième extracteur (12), à contre-courant de la phase organique.
  6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'étape c1) comprend le soutirage d'une partie du flux aqueux circulant dans le troisième extracteur et le renvoi de l'autre partie vers le premier extracteur.
  7. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend une étape c2) consistant à soumettre la partie de phase aqueuse soutirée à une ou plusieurs chromatographies sur une phase solide stationnaire.
  8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la phase solide stationnaire est une résine échangeuse d'ions.
  9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'extractant est du phosphate de tri-n-butyle que l'on emploie, de préférence, à 30% v/v dans un diluant organique, avantageusement un dodécane.
  10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la phase A1 présente une molarité allant de 4 à 6 M.
  11. Procédé selon la revendication 9 ou la revendication 10, caractérisé en ce que la phase A2 présente une molarité inférieure ou égale à 2 M.
  12. Procédé selon la revendication 9 dépendant de la revendication 4, caractérisé en ce que la phase A3 présente une molarité inférieure ou égale à 2 M.
  13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément chimique est un actinide tétravalent choisi parmi le neptunium et le thorium 228.
  14. Procédé de retraitement d'un combustible nucléaire usé, caractérisé en ce qu'il met en -uvre un procédé de séparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 13.
  15. Cycle de purification de l'uranium d'un procédé PUREX, caractérisé en ce qu'il comprend la mise en oeuvre d'un procédé de séparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.
  16. Cycle de purification selon la revendication 15, caractérisé en ce que le procédé est mis en -uvre pour séparer un actinide tétravalent choisi parmi le neptunium et le thorium de l'uranium(VI).
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